Analyse en ligne, en ligne ou hors ligne : quelle approche convient le mieux à votre ligne de production ?

Pourquoi l'emplacement de la mesure compte

L'endroit où une mesure est effectuée par rapport au procédé détermine l'usage qui peut être fait du résultat : une valeur de laboratoire qui arrive après le passage du lot documente la qualité, une valeur disponible pendant que la matière est encore dans la ligne permet de la maîtriser. Kowalski l'a dit sans détour : les erreurs d'échantillonnage et les délais de transport et d'analyse des échantillons rendaient presque impossible la conduite de procédés chimiques complexes avec le degré de réussite requis [1]. Le guide de la FDA sur la technologie analytique des procédés (PAT) définit la PAT comme un système de conception, d'analyse et de maîtrise de la fabrication au moyen de mesures en temps utile, effectuées pendant la fabrication, des attributs critiques de qualité et de performance, et rappelle que la qualité ne peut pas être obtenue par des contrôles sur le produit mais doit être intégrée dès la conception [2] ; l'ICH Q8(R2) reprend la même définition dans son glossaire [3]. Pour une usine agroalimentaire, d'aliments pour animaux ou chimique, la question est de savoir quelle combinaison d'emplacements de mesure soutient les décisions que le procédé doit prendre.

Off-line, at-line, on-line, in-line : les définitions

Ce vocabulaire est antérieur à l'initiative PAT, mais c'est le guide de la FDA qui donne les définitions les plus citées aujourd'hui. Sous l'intitulé « Process Analyzers » (analyseurs de procédé), il indique que les mesures peuvent être [2] :

« at-line : mesure dans laquelle l'échantillon est prélevé, isolé du flux de procédé et analysé à proximité immédiate de celui-ci. on-line : mesure dans laquelle l'échantillon est dérivé du procédé de fabrication et peut être renvoyé dans le flux de procédé. in-line : mesure dans laquelle l'échantillon n'est pas retiré du flux de procédé, et qui peut être invasive ou non invasive. » [2]

L'analyse off-line est le cas que le guide n'a pas besoin de définir : l'échantillon est prélevé et porté à un laboratoire, la configuration traditionnelle décrite par Kowalski [1]. Deux points passent facilement inaperçus. Le on-line se distingue du in-line par le fait que la matière quitte ou non le flux principal, par exemple par une boucle de dérivation ; les fournisseurs disent couramment « inline » dans les deux cas. Et la mesure in-line peut être invasive, avec une sonde dans la matière, ou non invasive, à travers une fenêtre [2] ; la ligne directrice de l'EMA sur la spectroscopie proche infrarouge traite en conséquence l'interface d'échantillonnage ou la sonde comme un composant essentiel d'une méthode NIR, qui doit être décrit et maîtrisé [4].

Ce que chaque emplacement sacrifie

L'analyse off-line offre des conditions maîtrisées et des méthodes de référence, et reste la base de l'étalonnage et des décisions de libération dans une stratégie de contrôle classique [3][4]. Ses coûts sont le délai et, de façon moins visible, l'échantillon lui-même. Selon la théorie de l'échantillonnage, seule une réduction de masse correcte et non biaisée donne un échantillon représentatif, et l'erreur totale d'échantillonnage est de loin la contribution dominante à toute démarche analytique, souvent plus de 100 fois supérieure à l'erreur analytique totale [5]. Un échantillon ponctuel prélevé à l'écope sur un convoyeur transporte cette erreur dans le résultat, quelle que soit la précision de l'analyse, et un échantillonnage non représentatif ne peut pas être corrigé après coup par la statistique ou la chimiométrie [6].

L'analyse at-line supprime le transport et la file d'attente du laboratoire, mais pas l'échantillonnage : l'instrument se trouve à côté de la ligne et un opérateur lui apporte l'échantillon. C'est là que la NIR de paillasse trouve sa place pour les matières premières solides ; l'ISO 12099 fournit les lignes directrices pour l'application de la spectrométrie NIR aux aliments pour animaux, aux céréales et aux produits de mouture des céréales, de l'étalonnage par rapport aux méthodes de référence jusqu'à la validation et au suivi en routine [7]. Quel que soit l'emplacement de l'instrument, la performance d'une procédure NIR quantitative dépend de celle de la méthode de référence ; des données de référence médiocres limitent ce que le modèle peut atteindre [4].

Les mesures in-line et on-line suppriment à la fois le transport et l'échantillonnage manuel. Huang et al. énumèrent les avantages qui en résultent dans la transformation des aliments : l'instrument travaille dans la ligne dans des conditions réalistes, les défaillances sont détectées tôt et le procédé est surveillé en permanence ; la NIR convient à ce rôle parce qu'elle ne nécessite aucune préparation d'échantillon et mesure plusieurs constituants à la fois [8]. Porep et al. décrivent le matériel, des sondes à fibres optiques et à contact direct aux sondes intégrées aux conduites mesurant à travers des fenêtres et aux mesures sur bandes transporteuses, et notent que dans de nombreuses études une application en ligne était revendiquée mais pas réellement mise en œuvre [9]. La contrepartie est que c'est désormais l'interface d'échantillonnage qui définit l'échantillon. Esbensen et Sivalingam soutiennent que l'interface doit à la fois définir un volume d'échantillon approprié et convenir à la technique analytique, et que la plupart des interfaces d'échantillonnage de procédé actuelles ne respectent pas la théorie de l'échantillonnage, ce qui met en péril la représentativité pour les matériaux hétérogènes [10]. La ligne directrice de l'EMA en fait des attentes pour la NIR on-line : optimiser l'emplacement du dispositif d'échantillonnage, estimer la taille effective de l'échantillon, maintenir la fenêtre couverte d'échantillon et maîtriser l'encrassement [4].

Choisir la configuration d'une ligne donnée

La FDA présente ce choix comme une tâche de conception : identifier les attributs critiques, concevoir un système de mesure permettant leur surveillance en temps réel ou quasi réel, qu'elle soit on-line, in-line ou at-line, et concevoir les contrôles qui agissent sur la base des mesures [2] ; l'ICH Q8(R2) appelle l'ensemble planifié de contrôles qui en résulte la stratégie de contrôle [3]. Trois questions règlent la plupart des cas :

• Quelle décision le résultat alimente-t-il, et à quelle vitesse ? Un point final de séchage ou une consigne d'humidité exige des données in-line ou on-line sur lesquelles un système de contrôle peut agir ; la FDA note que ces mesures n'ont pas besoin d'être des valeurs absolues, puisque les différences relatives au sein des lots et entre lots suffisent déjà à la régulation par anticipation et par rétroaction [2]. L'acceptation des lots et les litiges restent des décisions relevant de la méthode de référence.
• Un échantillon représentatif peut-il atteindre l'analyseur ? Établissez le degré d'hétérogénéité de la matière et l'endroit où un incrément correct peut être prélevé avant de choisir une sonde ou une dérivation ; une dérivation ou une configuration at-line bien conçue peut être plus représentative qu'une fenêtre in-line mal placée [5][10].
• Comment la méthode sera-t-elle validée et maintenue ? Transférer une méthode de laboratoire on-line, in-line ou at-line ne constitue pas en soi de la PAT, et les recommandations sur la validation des méthodes continuent de s'appliquer [2] ; l'EMA attend que la méthode de référence, l'interface d'échantillonnage, la position de la sonde et les plans d'échantillonnage soient spécifiés et que la procédure soit réévaluée régulièrement [4].

La plupart des usines aboutissent à une combinaison. La FDA cite parmi les gains attendus de la PAT des temps de cycle plus courts grâce aux mesures on-line, in-line et/ou at-line, ainsi que la libération en temps réel, cette dernière étant justifiée en démontrant que l'assurance qualité en temps réel est au moins équivalente aux essais de laboratoire sur échantillons prélevés [2] ; l'ICH Q8(R2) ajoute que la libération en temps réel peut remplacer les contrôles sur produit fini, mais pas les étapes de revue BPF nécessaires à la libération du lot [3]. Le laboratoire ne disparaît pas ; son rôle se déplace vers l'analyse de référence, la maintenance des étalonnages et les investigations.

L'approche d'USTECH

USTECH fournit des instruments pour les deux emplacements. Pour la mesure in-line, l'analyseur FT-NIR de procédé ProLine2550 est conçu pour les mélangeurs, réacteurs et canalisations transportant des liquides, des suspensions et des flux de solides simples, et les ProLine17EC et ProLine17ECS sont des analyseurs NIR in-line robustes IP65 à corps en acier inoxydable et fenêtre en saphir. Pour la mesure at-line des grains, des matières premières d'aliments et des fourrages, l'analyseur NIR de paillasse MasterLine17EC est utilisé à côté de la ligne ou au laboratoire de l'usine. Les étalonnages sont construits et maintenus dans caliX, et ProChem relie les analyseurs au système PLC ou SCADA afin que les résultats in-line puissent piloter consignes et alarmes. La configuration adaptée à une ligne donnée est déterminée lors d'une étude de faisabilité menée avec vos propres échantillons.